针对VCM精馏过程存在的控制难题，我公司采用浙大中控预测函数控制软件（APC-PFC）建立精馏过程的先进控制系统，并于2005年3月成功投入运行，VCM精馏使用先进控制后大大减轻了操作人员的工作强度，应用预测模型对被控变量的变化趋势进行预测，时时对控制回路的给定值进行滚动优化和偏差校正，提高各工艺关键变量的控制精度和平稳度，从而保证产品质量和保持操作工况的平稳，获得了满意的控制效果。
VCM精馏过程工艺和特点
VCM精馏过程通常由低沸塔系统和高沸塔系统构成，是一个典型的二级串级精馏工艺。其工艺流程如图1所示。从压缩机出来的粗氯乙烯先送入全凝器，使大部分气体冷凝液化，经水分离器除水后进入低沸塔，未冷凝气体进入尾气冷凝器，冷凝液全部返回水分离器，低沸塔再沸器由热水加热，低沸塔所分离出的低沸物由塔顶汇入全凝器通至尾气冷凝器处理，尾气冷凝器未冷凝的气体经尾气吸附器回收氯乙烯后，剩下的惰性气体排出。塔釜液通过中间槽流入高沸塔，高沸塔的再沸器由热水加热，将氯乙烯蒸发，经塔身分离成精氯乙烯进入成品冷凝器，被冷凝氯乙烯储放到成品槽中，为保证单体纯度，高沸塔底部物料含有一定量的高沸物，需根据工况定期做排出处理。
由于生产的连续性，VCM精馏过程与前工段的合成和后工段的聚合紧密相连，合成工段的出料就是VCM精馏工段的进料，因此，VCM精馏的低沸塔进料流量和进料组分会经常变化，这是VCM精馏工段的主要干扰因素。VCM进料流量的变化既改变了物料平衡的关系，也改变了能量平衡的关系。因粗氯乙烯在精馏塔中滞后时间长，通常的反馈调节无法及时克服进料流量的扰动。进料组分变化对各层塔板温度及达到一定产品纯度时的馏出量影响很大，尤其是VCM精馏，进料成份复杂，不可测量，给产品质量的平稳控制带来很大难度。
对于高沸塔来说，进料变化也很频繁，并且变化幅度比较大，塔釜液位难以控制。同时，高沸塔液位的频繁变化会导致塔釜温度的变化，塔釜温度又影响到塔釜的液位以及高沸塔塔顶的温度和塔釜压力；回流量等因素又与塔釜液位及温度相互关联、相互影响，故高沸塔的各操作参数间存在复杂的耦合关系，众多因素共同作用*终决定装置的运行状况。高沸塔单元的操作存在一定的约束条件，各操作参数均有其允许操作区域限制，控制时要协调各操作变量，以保证高沸塔的整体控制水平和*终产品质量。因此，高沸塔的控制问题在氯乙烯精馏装置中就显得尤为突出。
浙大中控APC-PFC先进控制软件原理和特点
1. 基本原理
APC-PFC控制软件技术的核心算法是预测函数控制（PFC），即预测模型、滚动优化、反馈校正。PFC隶属于模型预测控制家族的一种，由法国ADERSA公司的J.Richalet等人于1986年提出。与传统的模型预测控制算法不同，PFC注重控制变量的结构形式，将控制输入视为基函数的加权组合，引入误差反馈校正，进行在线优化。PFC基本原理如图2所示。
2. APC-PFC控制软件的主要特点
1) 算法简单，在线计算量小，对模型精度要求低。在线控制时，仅有向量的点积计算，没有矩阵求逆等复杂运算。实现容易，可以方便地集成到任何主流DCS中工作；
2) 为了保证未来控制输入的合理性，在受控变量和操纵变量满足位置和速度硬约束的前提下，每个被控变量可以按照指定的闭环性能达到设定值；
3) 对可测扰动的前馈控制，及时地抑制扰动；
4) APC-PFC先进控制系统的调节参数较少，各个调节参数对控制性能的影响各有侧重，可以依照性能要求迅速的调整参数，大大缩短整定时间。闭环系统的性能与调节手段之间的关系如表1所示；
表1中的数字0，1，2表示调节手段对控制性能的影响程度，数字越大表示影响程度越大，0表示没有影响。
VCM精馏预测控制方案设计
在VCM精馏预测控制方案设计之前，对VCM精馏过程的变量做一个描述。低沸塔和高沸塔的被控变量、操作变量及干扰变量如表2所示。
从表2可以看出，VCM精馏过程是多变量的控制系统，各个变量之间耦合性强，同时由于可测、不可测的多重干扰存在以及进料的流量、组分经常发生强度和持续时间不同的波动，采用常规控制很难有效地考虑该装置中的各种控制作用之间的耦合特性，因而，控制效果不是非常好，需要通过人工经验的方法加以修正。
由于低沸塔和高沸塔之间有中间缓冲罐，低沸塔和高沸塔之间有相对独立性。因此，对低沸塔和高沸塔用浙大中控APC-PFC先进控制软件分别设计了控制器。VCM精馏先进控制系统的方块图如图3所示。它是以预测函数控制器为监督层，常规PID控制为控制层的透明控制结构的先进控制系统。该控制结构既结合了PID控制的可靠性、稳定性，又糅合了PFC良好的设定值跟踪性能及动态响应效果。实际应用中，在PFC控制器中加入前馈量，形成一个前馈PFC控制器，前馈量的加入，在扰动发生时，通过PFC控制器的调节和监督作用快速地反映到PID控制器中，及时调节PID控制器中的相应设定值，消除余差，使PID控制的输出*大程度的接近期望值，以此及时克服扰动变量对被控变量的扰动作用，使整个系统快速达到平稳控制。
应用效果
VCM精馏预测控制软件包在我公司应用以来，生产操作稳定性和产品质量有了显著的提高。图4、图5分别是APC-PFC预测控制软件包在低沸塔和高沸塔投运前后控制效果的比较图。
可以看出，低沸塔塔顶温度和高沸塔塔釜液位在预测控制投运前波动较大，控制效果并不理想；预测控制软件投运后，过程的平稳性有了显著提高，方差和极差均显著减小。其他参数在预测控制软件投运后控制效果有了进一步的改善和提高。另外，图4中预测控制软件投运后的高沸塔塔釜液位有两个毛刺，这两个毛刺是由于间歇排放高沸物造成的液位扰动，从另一个角度说明该控制软件包具有较强的抗干扰能力。上述预测控制软件包在我公司投运后，单体质量有了明显提高，其纯度稳定在99.999%，已完全满足PVC生产的要求。
结束语
浙大中控APC-PFC预测控制软件包在安装、调试过程中不会对生产过程产生任何影响。
浙大中控APC-PFC预测控制软件包与原有的控制系统之间，只需通过一个开关就可实现常规PID和预测控制的无扰动切换。操作员也只需简单培训就能进行VCM精馏预测控制软件包的操作。
浙大中控APC-PFC预测控制软件包的调节参数较少，修改容易。系统维护工程师只需进行简单的培训就能进行有效的系统维护。
VCM精馏过程工艺和特点
VCM精馏过程通常由低沸塔系统和高沸塔系统构成，是一个典型的二级串级精馏工艺。其工艺流程如图1所示。从压缩机出来的粗氯乙烯先送入全凝器，使大部分气体冷凝液化，经水分离器除水后进入低沸塔，未冷凝气体进入尾气冷凝器，冷凝液全部返回水分离器，低沸塔再沸器由热水加热，低沸塔所分离出的低沸物由塔顶汇入全凝器通至尾气冷凝器处理，尾气冷凝器未冷凝的气体经尾气吸附器回收氯乙烯后，剩下的惰性气体排出。塔釜液通过中间槽流入高沸塔，高沸塔的再沸器由热水加热，将氯乙烯蒸发，经塔身分离成精氯乙烯进入成品冷凝器，被冷凝氯乙烯储放到成品槽中，为保证单体纯度，高沸塔底部物料含有一定量的高沸物，需根据工况定期做排出处理。
由于生产的连续性，VCM精馏过程与前工段的合成和后工段的聚合紧密相连，合成工段的出料就是VCM精馏工段的进料，因此，VCM精馏的低沸塔进料流量和进料组分会经常变化，这是VCM精馏工段的主要干扰因素。VCM进料流量的变化既改变了物料平衡的关系，也改变了能量平衡的关系。因粗氯乙烯在精馏塔中滞后时间长，通常的反馈调节无法及时克服进料流量的扰动。进料组分变化对各层塔板温度及达到一定产品纯度时的馏出量影响很大，尤其是VCM精馏，进料成份复杂，不可测量，给产品质量的平稳控制带来很大难度。
对于高沸塔来说，进料变化也很频繁，并且变化幅度比较大，塔釜液位难以控制。同时，高沸塔液位的频繁变化会导致塔釜温度的变化，塔釜温度又影响到塔釜的液位以及高沸塔塔顶的温度和塔釜压力；回流量等因素又与塔釜液位及温度相互关联、相互影响，故高沸塔的各操作参数间存在复杂的耦合关系，众多因素共同作用*终决定装置的运行状况。高沸塔单元的操作存在一定的约束条件，各操作参数均有其允许操作区域限制，控制时要协调各操作变量，以保证高沸塔的整体控制水平和*终产品质量。因此，高沸塔的控制问题在氯乙烯精馏装置中就显得尤为突出。
浙大中控APC-PFC先进控制软件原理和特点
1. 基本原理
APC-PFC控制软件技术的核心算法是预测函数控制（PFC），即预测模型、滚动优化、反馈校正。PFC隶属于模型预测控制家族的一种，由法国ADERSA公司的J.Richalet等人于1986年提出。与传统的模型预测控制算法不同，PFC注重控制变量的结构形式，将控制输入视为基函数的加权组合，引入误差反馈校正，进行在线优化。PFC基本原理如图2所示。
2. APC-PFC控制软件的主要特点
1) 算法简单，在线计算量小，对模型精度要求低。在线控制时，仅有向量的点积计算，没有矩阵求逆等复杂运算。实现容易，可以方便地集成到任何主流DCS中工作；
2) 为了保证未来控制输入的合理性，在受控变量和操纵变量满足位置和速度硬约束的前提下，每个被控变量可以按照指定的闭环性能达到设定值；
3) 对可测扰动的前馈控制，及时地抑制扰动；
4) APC-PFC先进控制系统的调节参数较少，各个调节参数对控制性能的影响各有侧重，可以依照性能要求迅速的调整参数，大大缩短整定时间。闭环系统的性能与调节手段之间的关系如表1所示；
表1中的数字0，1，2表示调节手段对控制性能的影响程度，数字越大表示影响程度越大，0表示没有影响。
VCM精馏预测控制方案设计
在VCM精馏预测控制方案设计之前，对VCM精馏过程的变量做一个描述。低沸塔和高沸塔的被控变量、操作变量及干扰变量如表2所示。
从表2可以看出，VCM精馏过程是多变量的控制系统，各个变量之间耦合性强，同时由于可测、不可测的多重干扰存在以及进料的流量、组分经常发生强度和持续时间不同的波动，采用常规控制很难有效地考虑该装置中的各种控制作用之间的耦合特性，因而，控制效果不是非常好，需要通过人工经验的方法加以修正。
由于低沸塔和高沸塔之间有中间缓冲罐，低沸塔和高沸塔之间有相对独立性。因此，对低沸塔和高沸塔用浙大中控APC-PFC先进控制软件分别设计了控制器。VCM精馏先进控制系统的方块图如图3所示。它是以预测函数控制器为监督层，常规PID控制为控制层的透明控制结构的先进控制系统。该控制结构既结合了PID控制的可靠性、稳定性，又糅合了PFC良好的设定值跟踪性能及动态响应效果。实际应用中，在PFC控制器中加入前馈量，形成一个前馈PFC控制器，前馈量的加入，在扰动发生时，通过PFC控制器的调节和监督作用快速地反映到PID控制器中，及时调节PID控制器中的相应设定值，消除余差，使PID控制的输出*大程度的接近期望值，以此及时克服扰动变量对被控变量的扰动作用，使整个系统快速达到平稳控制。
应用效果
VCM精馏预测控制软件包在我公司应用以来，生产操作稳定性和产品质量有了显著的提高。图4、图5分别是APC-PFC预测控制软件包在低沸塔和高沸塔投运前后控制效果的比较图。
可以看出，低沸塔塔顶温度和高沸塔塔釜液位在预测控制投运前波动较大，控制效果并不理想；预测控制软件投运后，过程的平稳性有了显著提高，方差和极差均显著减小。其他参数在预测控制软件投运后控制效果有了进一步的改善和提高。另外，图4中预测控制软件投运后的高沸塔塔釜液位有两个毛刺，这两个毛刺是由于间歇排放高沸物造成的液位扰动，从另一个角度说明该控制软件包具有较强的抗干扰能力。上述预测控制软件包在我公司投运后，单体质量有了明显提高，其纯度稳定在99.999%，已完全满足PVC生产的要求。
结束语
浙大中控APC-PFC预测控制软件包在安装、调试过程中不会对生产过程产生任何影响。
浙大中控APC-PFC预测控制软件包与原有的控制系统之间，只需通过一个开关就可实现常规PID和预测控制的无扰动切换。操作员也只需简单培训就能进行VCM精馏预测控制软件包的操作。
浙大中控APC-PFC预测控制软件包的调节参数较少，修改容易。系统维护工程师只需进行简单的培训就能进行有效的系统维护。
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